Ученые нашли новую форму воды — черный суперионный лед

Широко известны три формы воды: жидкость, пар и лед, но на самом деле она может образовывать более десятка разных структур. Однако многие из них возникают при весьма специфических условиях, и наблюдать их в природе невозможно. Ученые воссоздали в лаборатории эти условия и получили новую форму воды.

Для формирования суперионного льда требуется высокая температура и большое давление. Физикам приходилось и ранее наблюдать его при воздействии ударной волны на каплю воды, но тогда структура просуществовала всего несколько секунд. И вот теперь ученые смогли создать устойчивый образец черного льда и исследовать его.

В ходе эксперимента применяли APS (Advanced Photon Source) – массивный ускоритель электронов, разгоняющий частицы практически до скорости света. В результате были сгенерированы пучки ярких рентгеновских лучей. Образец льда зажали между двумя кусками алмаза для создания сильного давления, затем нагрели при помощи лазера. Наконец, на лед направили рентгеновские лучи: в зависимости от их рассеивания можно было определить расположение атомов в структуре.

Образование устойчивого суперионного льда удивило ученых, так как они были уверены, что эта форма может существовать только при давлении в 50 ГПа. Но во время эксперимента давление увеличили всего до 20 ГПа. Сначала физики решили, что произошла нежелательная химическая реакция, но когда лазер выключили, лед вернулся к исходному состоянию. Это свидетельствовало об обратимом изменении структуры, а не о химической реакции.

Суперионный лед представляет собой кубическую решетку, в углах которой расположены атомы кислорода, а между ними – водород. Причем эта решетка расширяется, и частицы водорода начинают свободно перемещаться, но кислород остается на своих местах. То есть фактически образуется твердая кислородная решетка среди плавающих атомов водорода.

Такая структура влияет на свойства льда: в сравнении с обычным он менее плотный и иначе взаимодействует со светом, из-за чего имеет более темный цвет. Тем не менее полные свойства суперионного льда еще не изучены. Например, ученых интересует его проводимость, вязкость, химическая стабильность, изменение свойств при смешивании с солями или минералами.

Изучение условий возникновения суперионного льда, вероятно, поможет узнать, как сформировались некоторые другие планеты и стоит ли искать на них жизнь. Например, ученые считают, что суперионный лед может находиться внутри Нептуна и Урана.

Дело в том, что свойства льда оказывают влияние на магнитные поля планет, от которых в значительной мере зависит, может ли на них существовать жизнь. Так, мощные магнитные поля Земли защищают ее от радиации и космических лучей, в то время как поверхность Марса и Меркурия открыта для внешнего воздействия. 

Понимание того, как суперионный лед влияет на образование магнитного поля, также поможет ученым в поисках обитаемых планет в других звездных системах.